DE4228359A1 - Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen - Google Patents
Einspritzdüse für BrennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzdüse für Brenn
kraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei einer aus
der DE-OS 40 06 488 bekannten Einspritzdüse dieser Art hat die Ven
tilnadel im Umfang des als Bund ausgebildeten Kolbens mehrere achs
parallele Längsnuten, die sich stromab von der die Druckkammer be
grenzenden Stirnfläche des Kolbens zu dessen Ventilkegel hin er
strecken. Beim Öffnungshub der Ventilnadel wird der dem Ventilkegel
nahe Bereich der Längsnuten fortlaufend als Spritzquerschnitt frei
gegeben, wobei der resultierende Strömungsvektor stets durch die
kürzeste Strecke vom Einlauf der Längsnuten zum Spritzquerschnitt
gebildet wird. Da die Längsnuten achsparallel bis zum Spritzquer
schnitt verlaufen, erhält der Spritzstrahl eine stark axiale Rich
tungskomponente; eine Orientierung in einem bestimmten, dem Brenn
raum der Brennkraftmaschine angepaßten Kegelwinkel ist nicht mög
lich.
Eine genaue Ausrichtung der Spritzstrahlen in einem bestimmten Ke
gelwinkel ist zwar bei einer Kraftstoffeinspritzdüse nach der
EP-A-209 244 vorhanden, bei der die Spritzrichtung durch Spritz
löcher bestimmt ist, welche den Schaft der hohlgebohrten Ventilnadel
nahe dem Ventilkegel in einem stumpfen Kegelwinkel durchsetzen.
Durch Aufweiten oder Atmen der hohlen Ventilnadel bei hohen Drücken
treten bei dieser Ausbildung der Ventilnadel Probleme hinsichtlich
einer zuverlässigen Funktion auf. Ferner steht die Axialbohrung im
Schaft der Ventilnadel einer Miniaturisierung der Einspritzdüse ent
gegen.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß Spritzstrahlen mit
scharf gebündeltem Strömungsprofil und mit einem konstanten Strö
mungswinkel gebildet werden, wie dies für eine direkt einspritzende
Brennkraftmaschine erforderlich ist. Ferner ist durch die versetzte
Anordnung der Durchbrüche gegenüber der Dichtfläche des Schließ
kopfes sichergestellt, daß erst nach Durchlaufen eines Leerhubes der
Ventilnadel bei geringem Kraftstofförderdruck bzw. kleiner Drehzahl
scharf gebündelte Spritzstrahlen gebildet werden, die für eine gute
Kraftstoffaufbereitung sorgen. Ferner ist durch den verhältnismäßig
groß ausbildbaren Querschnitt der Ausnehmung an der der Druckkammer
zugewandten Stirnseite des Kolbens des Schließkopfes ein unge
drosselter Zulauf zum Einlauf der Durchbrüche gewährleistet.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 ange
gebenen Kraftstoffeinspritzdüse möglich. Durch die Gestaltung des
Kolbens der Ventilnadeln nach Anspruch 2 ist eine besonders drosse
lungsarme Strömung des Kraftstoffs zu den Durchbrüchen und durch
diese zu den Spritzöffnungen gegeben. Dadurch wird ein sehr hoher
Wirkungsgrad bei der Umsetzung von Druck in Geschwindigkeit er
zielt. Durch die Ausrichtung der Durchbrüche nach Anspruch 3 wird
ein Einspritzprofil wie bei Mehrlochdüsen erzielt. Die Einspritz
charakteristik wird durch die Merkmale nach den Ansprüchen 4 bis 6
günstig beeinflußt. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung nach
Anspruch 9, wodurch ein definiertes Aufliegen der Dichtfläche des
Schließkopfes am Ventilsitz des Düsenkörpers gewährleistet ist. Ein
einwandfreies, definiertes Anliegen des Ventilkegels am Ventilsitz
des Düsenkörpers in Form eines Liniensitzes wird durch die Merkmale
des Anspruchs 10 erzielt.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge
stellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen Fig. 1
eine Einspritzdüse im Längsschnitt, die Fig. 2 und 3 den brenn
raumseitigen Endabschnitt A des ersten Ausführungsbeispiels der Ein
spritzdüse nach Fig. 1 vergrößert im Querschnitt in Schließ- und in
Offenstellung, Fig. 4 den brennraumseitigen Endabschnitt A des
zweiten Ausführungsbeispiels vergrößert im Querschnitt und Fig. 5
Gestaltungsformen von Nuten des zweiten Ausführungsbeispiels nach
Fig. 4 vereinfacht in Seitenansicht.
Die Einspritzdüse hat einen Düsenkörper 10, der mittels einer Über
wurfmutter 11 an einem Düsenhalter 12 festgespannt ist. Im Düsen
körper 10 ist eine Ventilnadel 15 verschiebbar gelagert, die am
brennraumseitigen Ende einen Schließkopf 16 trägt. Dieser hat an
einer Schulter einen Ventilkegel 17, der mit einem konischen Ventil
sitz 18 am Düsenkörper 10 zusammenwirkt. Der Winkel des Ventilsitzes
18 ist etwas kleiner oder vorzugsweise größer als der Winkel des
Ventilkegels 17 am Schließkopf 16, so daß die Ventilnadel 15 mit
ihrem Ventilkegel 17 in einer Kreilslinie als Dichtsitz am Ventil
sitz 18 des Düsenkörpers 10 anliegt. Radial abgesetzt zum Ventilke
gel 17 hat der Schließkopf 16 einen Kolben 20, der in einer eine
Druckkammer 21 bildenden Zylinderbohrung 22 im Düsenkörper 10 ge
führt ist. Am Übergang des Ventilkegels 17 zum Kolben 20 ist ein ge
rundeter Freistich 23 angeordnet, der ein einwandfreies, definiertes
Aufliegen des Ventilkegels 17 am Ventilsitz 18 sicherstellt. Vor
zugsweise verbindet eine schmale radiale Ringfläche 19 der Schulter
den Ventilkegel 17 mit dem Freistich 23.
Auf seiner dem Druckraum 21 zugewandten Stirnseite hat der Kolben 20
eine den Schaft 14 der Ventilnadel 15 umgebende ringförmige, als
Hinterstich ausgebildete Ausnehmung 25, die radial außen von einem
Mantel 26 des Kolbens 20 begrenzt ist. Die äußere vom Mantel 26 be
grenzte Wandfläche 27 der Ausnehmung 25 ist kegelig und hat einen
Neigungswinkel von vorzugsweise 40 bis 50 Grad, so daß sich die Aus
nehmung 25 zum Druckraum 21 hin weit öffnet. Den Mantel 26 des Kol
bens 20 durchsetzen mehrere, beispielsweise vier Durchbrüche, die
die Spritzquerschnitte bestimmen. Beim Ausführungsbeispiel nach den
Fig. 2 und 3 sind die Durchbrüche als Löcher 30 ausgebildet, die
vom Grund 24 der Ausnehmung 25 ausgehen und in einem bestimmten Ab
stand oberhalb des Ventilkegels 17 des Schließkopfes 16 münden. Die
Löcher 30 verlaufen radial schräg zur Mittelachse der Ventilnadel
15, vorzugsweise in einem Winkel, der gleich dem Kegelwinkel des
Ventilsitzes 18 des Düsenkörpers 10 und des Ventilkegels 17 des
Schließkopfes 16 bzw. dem erforderlichen Einspritzwinkel der Spritz
strahlen ist. Die Spritzlöcher 30 können einen zylindrischen Quer
schnitt haben, vorzugsweise haben sie einen zur Mittelachse der Ven
tilnadel 15 parallel langestreckten Querschnitt, beispielsweise den
eines flachen Ovals oder eines Rechtecks. Je nach dem gewünschten
Verlauf des Öffnungsquerschnitts kann jeder geschlossene Kurvenzug
verwirklicht sein. In dem dem Ventilkegel 17 nahen Grund kann der
Querschnitt enger gestaltet sein als darüber.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, das im wesentlichen wie das
nach den Fig. 1 bis 3 gestaltet ist, haben die die Spritzquer
schnitte bildenden Durchbrüche alternativ die Form von den Mantel 26
des Kolbens 20 von der Stirnseite her bis zum Grund 24 der Aus
nehmung 25 durchsetzenden schmalen Nuten 33. Der Grund 34 dieser
Nuten 33 verläuft ähnlich wie die Achse der Löcher 30 radial schräg
zur Mittelachse der Ventilnadel 15. Der Querschnitt der Nuten 33 ist
größtenteils rechteckig; zur Bildung einer bestimmten Quer
schnitt-Charakteristik der Spritzstrahlen in Abhängigkeit vom Hub hg
der Ventilnadel 15 ist der Querschnitt zumindest im Bereich der Mün
dung am Umfang des Mantels 26, wie die Fig. 5a-5d zeigen, vom
Grund 34 her gleichförmig breit (a), erweitert sich dreieckförmig
(b), bogenförmig (c) oder gestuft (d), so daß beim Anfangshub der
Ventilnadel 15 zunächst ein feiner und bei fortlaufendem Hub ein
kompakter Einspritzstrahl gebildet wird. In gleicher Weise können
die Mündungen auch der Löcher des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 2
und 3 gestaltet sein.
In Schließstellung der Ventilnadel 15 hat die Unterkante 31 der Mün
dung der Löcher 30 bzw. der Nuten 33 zum Ventilsitz 18 im Düsen
körper 10 einen bestimmten Abstand ho, so daß die Ventilnadel 15
beim Öffnungshub zuerst einen Leerhub ausführt, bevor der Mündungs
querschnitt der Löcher 30 bzw. der Nuten 33 von einer Steuerkante 32
am Übergang des Ventilsitzes 18 in die Zylinderbohrung 22 freigege
ben und fortlaufend aufgesteuert wird (Fig. 3 und 4).
Die Ventilnadel 15 ist in einer Führungsbohrung 35 im Düsenkörper 10
verschiebbar gelagert, an die sich stromabwärts eine Sammelkammer 36
und ein diese mit dem Druckraum 21 verbindender Ringspalt 37 an
schließen. Die Ventilnadel 15 wird mit ihrem Schließkopf 16 gegen
den Ventilsitz 18 am Düsenkörper 10 von einer Schließfeder 40 ge
zogen, die in einer Federkammer 39 im Düsenhalter 12 angeordnet
ist. Die Schließfeder 40 stützt sich über eine Distanzbuchse 41 und
eine geschlitzte Anschlagscheibe 42 am Düsenkörper 10 ab und drückt
über eine Ausgleichscheibe 43 gegen einen am Ende der Ventilnadel 15
befestigten Stützring 44. Zum Begrenzen des Gesamthubes hg der
Ventilnadel 15 ist der Schaft 14 der Ventilnadel 15 in Höhe der An
schlagscheibe 42 einen Anschlagbund 45 bildend abgesetzt, der in
Schließstellung der Ventilnadel 15 von der Anschlagscheibe 42 den
Abstand hg hat.
Zu der Sammelkammer 36 im Düsenkörper 10 führt ein von einem An
schlußstutzen 46 ausgehender Zulaufkanal 47 im Düsenhalter 12 und im
Düsenkörper 10. Ferner verbindet ein Leckölkanal 48 die Federkammer
39 mit einem Anschluß 49.
Die beschriebene Einspritzdüse arbeitet wie folgt:
In den Einspritzpausen drückt die Schließfeder 40 die Ventilnadel 15
mit dem Ventilkegel 17 des Schließkopfes 16 gegen den Ventilsitz 18
am Düsenkörper 10, wobei die Mündung der Spritzlöcher 30 bzw. der
Nuten 33 von der die Zylinderbohrung 22 umgebenden Wand des Düsen
körpers 10 überdeckt sind und der Dichtkegel 17 am Ventilsitz 18
dicht anliegt (Fig. 2). Beim Zuführen von Kraftstoff unter Druck
durch den Zulaufkanal 47 in die Sammelkammer 36 und von dort durch
den Ringspalt 37 in den Druckraum 21 baut sich in diesem ein Druck
auf, der auf den Kolben 20 des Schließkopfes 16 wirkt, so daß die
Ventilnadel 15 entgegen der Wirkung der Schließfeder 40 in Strö
mungsrichtung verschoben wird. Nach Durchlaufen eines Leerhubes
ho, der vom Abstand zwischen der Unterkante 31 der Löcher 30 bzw.
der Nuten 33 und der theoretischen Schnittlinie des Ventilkegels 17
mit dem Mantel 26 des Kolbens 20 bestimmt ist, wird die Unterkante
31 der Spritzlöcher 30 bzw. Nuten 33 über die Steuerkante 32 ge
schoben und gibt, gesteuert durch den Nadelhub, zunehmend einen de
finierten Spritzquerschnitt frei. Nadelhub und Spritzquerschnitt er
geben sich jeweils aus dem Gleichgewicht der Kraft der Schließfeder
40 und der hydraulischen Kraft am Kolben 20. Durch den freigegebenen
Spritzquerschnitt an der Mündung der Spritzlöcher 30 bzw. Nuten 33
strömt Kraftstoff in Form von gebündelten Spritzstrahlen in den
Brennraum der Brennkraftmaschine in einem bestimmten Kegelwinkel wie
bei Mehrlochdüsen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2
und bestimmt dabei der Verlauf der Längsachse der Löcher 30 die
Spritzrichtung. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ergibt
sich da die Strömung stets den kürzesten Weg zwischen Einlauf und
Mündung der Nuten 33 nimmt, ein zum Austrittsquerschnitt weisender,
zum Grund 34 der Nuten 33 geneigter, als Pfeil dargestellter, Strö
mungsvektor v. Da die Spritzlöcher 30 bzw. Nuten 33 jeweils einen
Strömungskanal darstellen, der sich vom Einlauf bis zum Spritzquer
schnitt verengt, wird der Einspritzdruck verlustarm in Geschwindig
heit umgesetzt, wobei der Effekt eines extrem kurzen Spritzlochs mit
hohem Düsenwirkungsgrad erzielt wird. Durch die Formgebung des Quer
schnitts der Löcher 30 bzw. Nuten 33 als Rechteck, Dreieck, Oval,
auch andere Kurvenzüge sind denkbar, werden der Einspritzdüse ver
schiedene Querschnittsöffnungsverläufe aufgeprägt. Auf diese Weise
läßt sich vorzugsweise in Verbindung mit der Charakteristik der
Schließfeder 40 und der Pumprate der Einspritzpumpe, der zeitliche
Einspritzverlauf für eine optimale motorische Verbrennung beein
flussen. Durch die vorgenannte Gleichgewichtsbedingung wird stets
der gerade für die Kraftstoffaufbereitung optimale Spritzquerschnitt
eingestellt.
Beim Abbau des Druckes des geförderten Kraftstoffs zieht die
Schließfeder 40 die Ventilnadel 15 wieder zurück, wobei zunächst die
Spritzlöcher 30 bzw. Nuten 33 zugesteuert werden und dann der Ven
tilkegel 17 des Schließkopfes 16 am Ventilsitz 18 wieder dicht ab
schließt.
Ergänzend wird bemerkt, daß die Längsachse der Spritzlöcher 30 in
der gewünschten Spritzrichtung der Spritzstrahlen ausgerichtet und
dem Ausrichtungswinkel entsprechend der Neigungswinkel des Ventil
sitzes 18 und des Ventilkegels 17 gestaltet wird.
Claims (10)
1. Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen mit einem Düsen
körper, in dem ein mit einem Kraftstoffzulaufkanal verbundener
Druckraum und am brennraumseitigen Ende ein Ventilsitz gebildet
sind, mit einer Ventilnadel, welche an ihrem brennraumseitigen Ende
einen mit dem Ventilsitz am Düsenkörper zusammenwirkenden Schließkopf
und einen abgesetzten, den Druckraum axial begrenzenden vom Kraft
stoff beaufschlagten Kolben hat, mit einer die Ventilnadel mit der
Dichtfläche des Schließkopfes entgegen der Kraftstoffströmung gegen
den Ventilsitz spannenden Schließfeder, und mit nadelhubabhängig
steuerbaren Spritzöffnungen im Kolben der Ventilnadel, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Kolben (20) eine axial zum Druckraum (21) hin
offene, von einem Mantel (26) umfangsseitig begrenzte Ausnehmung
(25) hat, und daß die Spritzöffnungen Teil von den Mantel (26)
durchsetzenden Durchbrüchen (30; 33) sind, die axial versetzt von
der Dichtfläche (17) des Schließkopfes (16) im Umfang des Mantels
(26) münden.
2. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausnehmung (25) im Kolben (20) zum Druckraum (21) hin weit
geöffnet ist, und daß die Durchbrüche (30; 33) bis zum Grund (24)
der Ausnehmung (25) reichen.
3. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Achsen der Spritzlöcher (30) in einem
stumpfen Kegelmantel verlaufen.
4. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (30, 33) einen langgestreckten,
parallel zur Mittelachse der Ventilnadel (15) verlaufenden Querschnitt
haben.
5. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Querschnitt der Durchbrüche (30, 33) vom Grund zur
Stirnseite des Kolbens (20) erweitert.
6. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt der Durchbrüche (30, 33) die Form eines Recht
ecks, Dreiecks oder Ovals hat.
7. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (30, 33) als den
Mantel (26) des Kolbens (20) durchsetzende Löcher (30) ausgebildet
sind.
8. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (30, 33) als den Mantel (26) des
Kolbens (20) von dessen Stirnseite her durchsetzende Nuten (33) aus
gebildet sind.
9. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß am Übergang von der Dichtfläche (17) und dem
Kolben (20) des Schließkopfes (16) ein Freistich (23) angeordnet ist.
10. Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß zwischen der Dichtfläche (17) des Schließ
kopfes (16) und dem Freistich (23) eine Ringfläche (19) angeordnet
ist, deren Kegelwinkel stumpfer ist als der der Dichtfläche (17).
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